CN111022192B - 一种多阴极滑动弧等离子体点火器 - Google Patents

Abstract

提供一种多阴极滑动弧等离子体点火器，外形与常规点火器相同，由主绝缘体(104)，阳极(103)，阴极(106)，射流孔(101)，螺纹(105)，定位台阶(102)，进气孔(107)，引线(108)组成；当配合驱动电源工作时，阴极(106)与阳极(103)之间的绝缘空气被击穿，形成等离子体通道，每一个阴极(106)与阳极(103)之间都将产生等离子体放电通道；外部气源的高压气体通过进气孔(107)进入射流孔(101)，作用于等离子体放电通道，产生射流驱动的多通道滑动弧放电。本发明的点火器改变原有阴极数目，配合一定的点火电源可实现同一时间内产生多个滑动弧，有效提高电源的能量利用率，增加等离子体与油气混合物的接触区域，增大初始火核尺寸，有效改善滑动弧等离子体点火器的点火能力。

Description

一种多阴极滑动弧等离子体点火器

技术领域

本发明属于航空发动机燃烧室设计领域，具体涉及一种多阴极滑动弧等离子体点火器，适用于高空极端条件下航空发动机燃烧室内的可靠点火。

背景技术

战斗机在空中发行时，由于机动动作幅度大、吸入导弹发射后的尾气等原因，会出现主燃烧室熄火。此时，如果不能可靠的二次点火，极可能贻误战机、或无法尽快扭转空战态势，造成严重的后果。因此，发动机主燃烧室的高空二次点火能力是发动机的主要性能指标，对于飞行器特别是战斗机有着重要的意义。

目前，战斗机的航空发动机主要采用高能点火电嘴代替预燃点火方式。相比于预燃点火，高能点火电嘴结构简单，取消了预燃室结构与相应的供油系统，但点火能量也相应减小。目前，高能点火电嘴的点火边界远小于战斗机的飞行包线。部分发动机为了提高点火高度，采用了补氧方式。但这一方面增加了点火系统的复杂性，另一方面氧气用量的减小也给高空点火带来一定的潜在风险。

目前，基于滑动弧的等离子体由于具有点火能量大、分子活性强的优点，在高空点火方面具有巨大潜力。但是目前设计的滑动弧等离子体点火器均为单弧结构，在一个时刻只有一个滑动弧作用于燃气混合区。

为提高滑动弧的点火作用区域，增强点火能量，进一步提高滑动弧等离子体点火器的高空点火能力，有必要设计一种多弧结构的滑动弧等离子体点火器。

发明内容

为提高航空发动机高空二次点火的可靠性，针对现有单弧滑动弧等离子体点火器不足之处，本发明提出一种多阴极滑动弧等离子体点火器，以下简称“点火器”，外形与常规点火器相同，其特征在于，由主绝缘体104，阳极103，阴极106，射流孔101，进气孔107，引线108组成；其中

点火器整体为中间开孔的类圆柱体，引线108位于点火器尾部；

主绝缘体104构成点火器的主体部分，大致为圆柱体结构；

在主绝缘体104的圆柱中轴处、沿中轴线开有射流孔101；以圆柱体中轴线为对称轴，在射流孔101外侧、沿中轴线开有放射状分布的沿周向均匀布置的深槽，槽数量根据需要确定，用于安装圆柱型阴极106；射流孔101为非通孔，其半径大于阳极103的最大直径，深度由进气孔107位置限定，只需与进气孔 107相通即可；

进气孔107包括主绝缘体104靠近尾部处周向均匀布置的几个孔，用于为滑动弧提供气源，进气孔107与主绝缘体104尾部存有间距，进气孔107的打孔方向与绝缘体104的中轴线相垂直；

阳极103插入射流孔101内，顶部为半球体或圆锥体，其余部分为圆柱体，整体外壁顺滑，阳极103尾部通过螺纹孔与引线108的中心导线相连，该螺纹孔沿主绝缘体104轴线贯穿主绝缘体104尾部，阳极103的圆柱体半径小于射流孔101直径，与射流孔101外壁间存在一定间隙，保证通过进气孔107进入射流孔101的气体能够顺畅流通，阳极103通过固定装置连接于主绝缘体104 内部；

阴极106布置在深槽内，由布置在深槽内的耐高温金属块组成，阴极106 前端与主绝缘体104顶部平面齐平，阴极106尾部通过螺纹孔与引线108的外围多根导线相连，一个阴极与一根外围导线相连，因此，外围导线的数量与金属块的数量相当；阴极106外侧面与射流孔101壁面齐平，阴极106与阳极103 保持一定间隙，此间隙小于阴极与阴极之间的最短距离。

在本发明的一个实施例中，点火器包括螺纹105，定位台阶102；其中

主绝缘体104外部加工螺纹105，用于与燃烧室相固定，以固定点火器，螺纹105位于主绝缘体104外侧中部位置，尺寸由点火器安装其内的发动机燃烧室决定；

主绝缘体104外部加工定位台阶102，以保证点火器产生的滑动弧能够准确作用于设计的点火区域，定位台阶102位于主绝缘体104外侧大约中后部位置，紧邻螺纹105，位于其后，用于准确定位点火器头部离燃烧室壁面的距离。

在本发明的另一个实施例中，主绝缘体104的圆柱体外径为12～20mm，高度为80～200mm，采用耐高温绝缘材料加工而成；射流孔101直径为4～8mm，深度为70～180mm；阴极106由耐高温金属材料组成，沿主绝缘体104轴向长度为10～30mm；阳极103由耐高温金属材料加工而成，圆柱体直径为2～6mm，与射流孔101外壁距离为0.5～2mm；进气孔107由直径为4～6mm的小孔组成，进气孔107中轴线与绝缘体顶部距离为40-100mm。

在本发明的一个具体实施例中，主绝缘体104的圆柱体外径为18mm，高度为100mm，选用耐高温微晶玻璃陶瓷加工而成；射流孔101直径为5mm，深度为90mm；在射流孔101外侧、沿中轴线开有“十字”深槽；阴极106由四块钨板组成，钨板沿主绝缘体104轴线长度为20mm；阳极103由钨材料加工而成，下部圆柱体直径为3mm，与射流孔101壁面距离为1mm；进气孔107由四个直径为5mm的小孔组成，进气孔107中轴线与绝缘体顶部距离为85mm，与射流孔101相通。

在本发明的又一个实施例中，定位台阶102与绝缘体头部距离为40-100mm。

在本发明的又一个具体实施例中，定位台阶102与绝缘体头部距离为 60mm。

还提供一种多阴极滑动弧等离子体点火方法，其特征在于，当配合驱动电源工作时，阴极106与阳极103之间的绝缘空气被击穿，形成等离子体通道，每一个阴极106与阳极103之间都将产生等离子体放电通道；外部气源的高压气体通过进气孔107进入射流孔101，作用于等离子体放电通道，产生射流驱动的多通道滑动弧放电。

与已有的滑动弧等离子体点火器相比，本发明“点火器”改变原有阴极数目，配合一定的点火电源可实现同一时间内产生多个滑动弧，有效提高了电源的能量利用率，增加了等离子体与油气混合物的接触区域，增大了初始火核尺寸，将有效改善滑动弧等离子体点火器的点火能力。

附图说明

图1为本发明多阴极滑动弧等离子体点火器的结构示意图，其中图1(a) 为点火器的三维立体图，图1(b)为剖视图；

图2为本发明多阴极滑动弧等离子体点火器产生的多通道滑动弧通道示意图，其中图2(a)俯视图，图2(b)正视图；。

附图标记：

101——射流孔，

102——辅助绝缘体，

103——阳极，

104——主绝缘体(点火器主体)，

105——螺纹，

106——阴极，

107——进气孔

108——引线

201——多通道滑动弧通道

具体实施方式

现结合附图1、附图2对本发明作进一步描述。

如图1所示，多阴极滑动弧等离子体点火器(以下简称“点火器”)外形与常规点火器相同，该点火器由主绝缘体(点火器主体)104，阳极103，阴极106，射流孔101，螺纹105，定位台阶(辅助绝缘体)102，进气孔107，引线108组成。

点火器整体为中间开孔的类圆柱体，引线108位于点火器尾部。主绝缘体 104构成点火器的主体部分，大致为圆柱体结构。在主绝缘体104的圆柱中轴处、沿中轴线开有射流孔101，以圆柱体中轴线为对称轴，在射流孔101外侧、沿中轴线开有“十字”槽，用于安装圆柱型阴极106；射流孔101为非通孔，其半径应大于阳极103的最大直径，深度由进气孔107位置限定，只需与进气孔107 相通即可。进气孔107包括主绝缘体104靠近尾部处周向均匀布置的几个孔，优选4个孔，用于为滑动弧提供气源，进气孔107与主绝缘体104尾部存有间距，进气孔107的打孔方向与主绝缘体104的中轴线相垂直。阳极103插入射流孔101内，顶部为半球体或圆锥体，其余部分为圆柱体，整体外壁顺滑，阳极103尾部通过螺纹孔与引线108的中心导线相连，该螺纹孔沿主绝缘体104 轴线贯穿主绝缘体104尾部，阳极103的圆柱体半径小于射流孔101直径，与射流孔101外壁间存在一定间隙，保证通过进气孔107进入射流孔101的气体能够顺畅流通，阳极103例如通过螺纹连接于主绝缘体104内部。阴极106布置在“十字”槽内，由布置在“十字”槽内的多个耐高温金属块组成，阴极106 前端与主绝缘体104顶部平面齐平，阴极106尾部通过螺纹孔与引线108的外围多根导线相连，一个阴极与一根外围导线相连，因此，外围导线的数量与金属块的数量相当。阴极106外侧面与射流孔101壁面齐平，阴极106与阳极103 保持一定间隙，此间隙应小于阴极与阴极之间的最短距离。为与燃烧室相固定，主绝缘体104外部加工螺纹105，螺纹105位于主绝缘体104外侧大约中部位置，尺寸由点火器安装其内的发动机燃烧室决定，用于固定点火器。为保证点火器产生的滑动弧能够准确作用于设计的点火区域，主绝缘体104外部加工定位台阶102，定位台阶102位于主绝缘体104外侧大约中后部位置，紧邻螺纹105，位于其后，用于准确定位点火器头部离燃烧室壁面的距离，定位台阶的截面形状例如为等边六边形，其形状和作用为本领域技术人员熟知，不再累述。当匹配电源工作时，阴极106与阳极103之间的绝缘空气被击穿，形成等离子体通道，外部气源的高压气体通过进气孔107进入射流孔101，作用于等离子体放电通道，从而产生滑动弧效果。

在本发明的一个实施例中，主绝缘体104大致为圆柱体，外径为12～20mm，高度为80～200mm，采用耐高温绝缘材料加工而成；主绝缘体104内部加工的射流孔101直径为4～8mm，深度为70～180mm。阴极106由多块耐高温的金属材料组成，沿主绝缘体104轴向长度为10～30mm。阳极103同样由耐高温金属材料加工而成，圆柱体直径为2～6mm，与射流孔101外壁距离为0-5～2mm。进气孔107由四个直径为4～6mm的小孔组成，进气孔107中轴线与绝缘体顶部距离为40-100mm。定位台阶102与绝缘体头部距离为40-100mm。

在本发明的一个具体实施例中，主绝缘体104外径为18mm，高度为100mm，选用耐高温的微晶玻璃陶瓷加工而成；射流孔101直径为5mm，深度为90mm；阴极106由四块钨板组成，钨板沿主绝缘体104轴线长度为20mm。阳极103 由钨材料加工而成，顶部为半球体，下部为圆柱体，直径为3mm，与射流孔101 壁面距离为1mm。进气孔107由四个直径为5mm的小孔组成，进气孔107中轴线与绝缘体顶部距离为85mm，与射流孔101相通。定位台阶102与绝缘体头部距离为60mm，螺纹为M19。

本发明提供的多阴极滑动弧等离子体点火器其最大特征在于阴极数量。相比于已有的滑动弧等离子体点火器，本发明“点火器”将传统的单阴极改变为多阴极结构，虽然上述只给出四个阴极106，但可根据点火器尺寸及实际需要更改数量。当配合驱动电源时，每一个阴极106与阳极103之间都将产生等离子体放电通道，通过进气孔107引入外部气源作用于等离子体放电通道，即可产生射流驱动的滑动弧放电。产生的多通道滑动弧结构如图2所示，图2(a)为俯视图，图2(b)为正视图。图中201即为产生的多个滑动弧结构。

与已有滑动弧等离子体点火器相比，本发明的“点火器”有着显著技术优势：通过增加放电通道，增加了滑动弧作用区域，能够有效增加火核尺寸及点火能量，因此点火能力更强。

具体实施例

主绝缘体104采用微晶玻璃陶瓷加工而成，整体为圆柱体，外径为 12～20mm，优选18mm，高度为80～200mm，优选100mm；主绝缘体104内部加工射流孔101直径为4～8mm，优选5mm，深度为70～180mm，优选90mm；绝缘体底部，周向均匀加工四个圆孔用作进气孔107，直径3～8mm，优选5mm，该进气孔与射流孔101相通。外部高压气体通过进气孔107进入点火器，一方面用于驱动等离子体通道形成滑动弧，另一方面用于冷却阴极106与阳极103，减小电极烧蚀。阴极106由四块耐高温金属加工而成，优选金属钨，其通过主绝缘体104内部的小孔与引线108中对应的导线相连，安装时其最内侧与射流孔101壁面齐平，前端与主绝缘体104顶部平面齐平；阳极103由钨材料加工而成，顶部为半球体，下部为圆柱体，直径为2～7mm，优选3mm，通过螺纹固定于主绝缘体4，阳极底部与引线108的中心导线相连，与射流孔101外壁沿径向的距离为1mm；为与发动机燃烧室外壁相固定，定位台阶102与绝缘体头部距离为60mm，螺纹为M19。

Claims (6)

1.一种多阴极滑动弧等离子体点火器，以下简称“点火器”，外形与常规点火器相同，其特征在于，由主绝缘体(104)，阳极(103)，阴极(106)，射流孔(101)，进气孔(107)，引线(108)组成；其中

点火器整体为中间开孔的类圆柱体，引线(108)位于点火器尾部；

主绝缘体(104)构成点火器的主体部分，大致为圆柱体结构；

在主绝缘体(104)的圆柱中轴处、沿中轴线开有射流孔(101)；以圆柱体中轴线为对称轴，在射流孔(101)外侧、沿中轴线开有放射状分布的沿周向均匀布置的深槽，槽数量根据需要确定，用于安装圆柱型阴极(106)；射流孔(101)为非通孔，其半径大于阳极(103)的最大直径，深度由进气孔(107)位置限定，只需与进气孔(107)相通即可；

进气孔(107)包括主绝缘体(104)靠近尾部处周向均匀布置的几个孔，用于为滑动弧提供气源，进气孔(107)与主绝缘体(104)尾部存有间距，进气孔(107)的打孔方向与主绝缘体(104)的中轴线相垂直；

阳极(103)插入射流孔(101)内，顶部为半球体或圆锥体，其余部分为圆柱体，整体外壁顺滑，阳极(103)尾部穿过螺纹孔与引线(108)的中心导线相连，该螺纹孔沿主绝缘体(104)轴线贯穿主绝缘体(104)尾部，阳极(103)的圆柱体半径小于射流孔(101)直径，与射流孔(101)外壁间存在一定间隙，保证通过进气孔(107)进入射流孔(101)的气体能够顺畅流通，阳极(103)通过固定装置连接于主绝缘体(104)内部；

阴极(106)布置在深槽内，由布置在深槽内的耐高温金属块组成，阴极(106)前端与主绝缘体(104)顶部平面齐平，阴极(106)尾部通过螺纹孔与引线(108)的外围多根导线相连，一个阴极与一根外围导线相连，因此，外围导线的数量与金属块的数量相当；阴极(106)外侧面与射流孔(101)壁面齐平，阴极(106)与阳极(103)保持一定间隙，此间隙小于阴极与阴极之间的最短距离。

2.如权利要求1所述的多阴极滑动弧等离子体点火器，其特征碍于，包括螺纹(105)，定位台阶(102)；其中

主绝缘体(104)外部加工螺纹(105)，用于与燃烧室相固定，以固定点火器，螺纹(105)位于主绝缘体(104)外侧中部位置，尺寸由点火器安装其内的发动机燃烧室决定；

主绝缘体(104)外部加工定位台阶(102)，以保证点火器产生的滑动弧能够准确作用于设计的点火区域，定位台阶(102)位于主绝缘体(104)外侧大约中后部位置，紧邻螺纹(105)，位于其后，用于准确定位点火器头部离燃烧室壁面的距离。

3.如权利要求1所述的多阴极滑动弧等离子体点火器，其特征碍于，主绝缘体(104)的圆柱体外径为12～20mm，高度为80～200mm，采用耐高温绝缘材料加工而成；射流孔(101)直径为4～8mm，深度为70～180mm；阴极(106)由耐高温金属材料组成，沿主绝缘体(104)轴向长度为10～30mm；阳极(103)由耐高温金属材料加工而成，圆柱体直径为2～6mm，与射流孔(101)外壁距离为0.5～2mm；进气孔(107)由直径为4～6mm的小孔组成，进气孔(107)中轴线与绝缘体顶部距离为40-100mm。

4.如权利要求3所述的多阴极滑动弧等离子体点火器，其特征碍于，主绝缘体(104)的圆柱体外径为18mm，高度为100mm，选用耐高温微晶玻璃陶瓷加工而成；射流孔(101)直径为5mm，深度为90mm；在射流孔(101)外侧、沿中轴线开有“十字”深槽；阴极(106)由四块钨板组成，钨板沿主绝缘体(104)轴线长度为20mm；阳极(103)由钨材料加工而成，下部圆柱体直径为3mm，与射流孔(101)壁面距离为1mm；进气孔(107)由四个直径为5mm的小孔组成，进气孔(107)中轴线与绝缘体顶部距离为85mm，与射流孔(101)相通。

5.如权利要求2所述的多阴极滑动弧等离子体点火器，其特征碍于，定位台阶(102)与绝缘体头部距离为40-100mm。

6.如权利要求5所述的多阴极滑动弧等离子体点火器，其特征碍于，定位台阶(102)与绝缘体头部距离为60mm。

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